大气边界层阵风的非线性统计动力学特征

在大气数值模式中，人们常把叠加在边界层平均风速之上的风速涨落部分视作均匀各向同性湍流进行参数化处理。然而，真实的风速涨落中还包含有阵风，这是一种非均匀非各向同性，以间歇性方式出现的强涨落。阵风能在短时间内带来巨大的能量和动量流。将阵风作为均匀各向同性湍流或均匀剪切湍流处理，会给数值预报的结果带来一定的误差。为提高数值预报的准确率，需要对阵风的特征及其形成机理做更深入的研究。因此，本项目将研究阵风在多种天气形势和不同大气稳定度下的统计特征，诸如阵风因子、阵风极值的统计分布，以及阵风持续时间、重现时间和脉动幅度的概率密度函数和功率谱，并提出相应的参数化方案。由于阵风是一种非线性现象，本项目还将利用非线性时间序列的分析方法，诸如关联维度和李雅普诺夫指数分析，研究阵风的非线性动力学特征。本项目的研究将为阵风形成机理的研究，以及大气数值模式的改进提供参考。

在大气数值模式中，人们常把叠加在边界层平均风速之上的风速涨落部分视作均匀各向湍流进行参数化处理。然而，真实的风速涨落中还包含有阵风。阵风能在短时间内带来巨大的能量和动量流，将其作为均匀各向同性湍流处理，会给数值预报结果带来一定的误差。为提高数值预报的准确率，需要对阵风的特征及其形成机理做更深入的研究。针对此项目的，本项目开展了有关阵风非线性统计特征及其机制的多项研究，主要包括以下三个方面的研究：一、阵风提取方案的设计。通过对阵风的概率密度函数的系统研究，本项目提出了一种新的提取阵风的方案（简称为PDF方案），该方案在很大程度上减少了传统方案中（如象限法）中关键参数人为任意选取所带来的误差和不确定性。本项目利用PDF方案从大气边界层湍流风速脉动中提取出了自组织阵风信号，分析了阵风强度、阵风持续时间和阵风重现时间的统计特征，并提出了相应的参数化方案。PDF方案具有一定的普适性，能广泛用于具有非高斯特征的随机信号。本项目利用PDF方案成功提取出了夜间稳定边界层间歇性湍流热通量。二、阵风关联特征的分析及其极值统计。本项目分析了长期风速时间序列的统计关联特征，发现由外部大尺度或中尺度结构驱动所形成的阵风时序中存在长程相关特征，这说明传统的基于统计独立假设的极值统计方法不适合分析这类阵风。为此，本项目设计了基于阵风长程统计关联特征的极值统计分析方法。三、自组织阵风的物理机制的研究。为解释阵风的多尺度复杂性特征，本项目提出了自组织协作临界理论以及能反映该理论思想的元胞自动机模型——协作沙盘模型。协作沙盘模型通过协作效应，可自组织涌现出时空间歇性特征。研究表明，协作沙盘模型的输出变量在概率分布、多重分形谱以及功率谱等方面与阵风有诸多相似性。本项目的上述研究成果为了解阵风多尺度、非线性复杂行为背后的物理机制提供了新的思路，同时也为阵风参数化、相关数值模式的改进以及风工程结构设计提供科学依据。